一种基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法及系统与流程

本发明属于半导体材料缺陷检测，特别是涉及一种基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法及系统。

背景技术：

1、氧化镓（）作为一种超宽禁带半导体材料，具有约4.9ev的禁带宽度、高击穿电场和优异的热稳定性，在功率器件、日盲探测器和短波长发光器件等领域具有广阔的应用前景。然而，氧化镓晶体在生长过程中不可避免地会产生各类缺陷，包括空洞（气泡）、位错、孪晶界、夹杂物等，严重影响晶体质量和器件性能。

2、目前，氧化镓晶体的缺陷检测主要依赖于晶锭切片后经研磨抛光，再通过光学和电学检测进行分类分级，这样的处理方法对晶体具有破坏性，且晶锭的利用率不高。现有一种基于荧光强度成像的氧化镓缺陷检测方法，通过采集样品检测范围内所有像素点的荧光强度获得缺陷荧光强度成像图，然而，该方法依赖缺陷的发光活性，只有部分缺陷（如位错、某些表面缺陷）能够产生可检测的荧光信号，而空洞（气泡）、铱颗粒夹杂等不具光学活性的缺陷在该方法中几乎不产生信号，因此检测范围只是局限于具有光学活性的缺陷类型。还有一种方法是采用激光脉冲面扫，通过分析透射光斑的高斯分布展宽程度来判定缺陷，该方法能够检测空洞、夹杂等宏观缺陷，但仅能判断有无缺陷以及缺陷的位置，而无法区分缺陷的具体类型，这是因为空洞、位错和夹杂物在透射光强上均表现为光强减弱，所以检测结果缺乏特异性。此外,属于单斜晶系，具有显著的光学各向异性，氧化镓的缺陷吸收光谱具有明显的偏振依赖性，然而，现有技术均未利用这一材料特性进行缺陷类型的区分检测。

3、综上，现有氧化镓晶体缺陷检测技术主要存在以下问题：检测原理依赖缺陷的发光活性，对于空洞、夹杂物等不发光缺陷无法有效检测，适用范围受限，而且现有方法仅能识别缺陷的位置，而无法区分缺陷的具体类型，另外，氧化镓的光学各向异性未被充分利用，现有技术并没有对这种材料特性所携带的缺陷信息进行有效地利用。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法及系统，能够利用偏振激光在缺陷处的弹性散射而非发光信号进行检测，摆脱了对缺陷发光活性的依赖，可避免空洞、夹杂物等不发光缺陷的漏检，同时通过多偏振态下偏振散射特征参数的组合判定，能够在不切片破坏晶体的前提下区分空洞、位错、夹杂物等不同缺陷类型，兼顾检测的全面性、灵敏度与特异性。

2、本发明提供的一种基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法包括：

3、采用线偏振激光依次以至少两种不同偏振态入射至待测半导体晶体样品；

4、采集所述样品在每一种偏振态入射条件下产生的散射光，并获取所采集散射光的偏振状态信息；

5、根据所述偏振状态信息提取所述样品各检测点的偏振散射特征参数，并基于所述偏振散射特征参数的组合判定各检测点处的缺陷类型。

6、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，所述至少两种不同偏振态为0°、45°、90°和135°线偏振态中的至少两种。

7、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，依次以0°、45°、90°和135°四种线偏振态入射至所述样品。

8、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，所述采集散射光包括：

9、在所述样品的透射方向采集透射光，并在至少一个侧向散射方向上同步采集散射光，所述至少一个侧向散射方向包括与所述透射方向成30°、60°和90°夹角的方向中的至少一个。

10、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，所述偏振散射特征参数包括偏振度p、退偏比d、偏振角旋转量δθ和散射强度比r中的至少两种。

11、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，所述偏振散射特征参数包括偏振度p、退偏比d、偏振角旋转量δθ和散射强度比r，所述基于所述偏振散射特征参数的组合判定各检测点处的缺陷类型包括：

12、当所述偏振度p低于第一阈值且所述退偏比d高于第二阈值时，判定为位错；

13、当所述偏振度p介于第三阈值与第四阈值之间且所述退偏比d介于第五阈值与第六阈值之间，均包含两端端点时，判定为空洞；

14、当所述偏振度p高于第七阈值且所述散射强度比r高于第八阈值时，判定为夹杂物；

15、当所述偏振度p随入射光偏振方向的变化呈现周期性振荡、且所述偏振角旋转量δθ随入射光偏振方向相对于预定晶向的夹角变化时，判定为孪晶界。

16、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，所述第一阈值为0.4，所述第二阈值为0.5，所述第三阈值为0.4，所述第四阈值为0.7，所述第五阈值为0.2，所述第六阈值为0.5，所述第七阈值为0.8，所述第八阈值为10。

17、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法中，还包括：

18、根据所述透射方向上采集的透射光信号与各所述侧向散射方向上所采集散射信号的强度衰减差异，确定缺陷在所述样品深度方向的位置，并结合各检测点的平面位置重建缺陷的三维空间分布；

19、根据所述偏振散射特征参数随入射光偏振方向的变化规律，确定缺陷相对于半导体晶体学晶向的取向关系，生成缺陷类型、晶向与空间位置的关联图谱。

20、本发明提供的一种基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测系统包括：

21、偏振可调激光光源模块，用于产生线偏振激光，并使所述线偏振激光依次以至少两种不同偏振态入射至待测半导体晶体样品；

22、探测模块，用于采集所述样品在每一种偏振态入射条件下产生的散射光，各个所述探测模块的前端设有偏振分析器，以获取所采集散射光的偏振状态信息；

23、信号处理与分析模块，用于根据所述偏振状态信息提取所述样品各检测点的偏振散射特征参数，并基于所述偏振散射特征参数的组合判定各检测点处的缺陷类型。

24、优选地，在上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测系统中，所述探测模块包括设置于所述样品透射方向的至少一个探测器和设置于至少一个侧向散射方向上的至少一个探测器，所述至少一个侧向散射方向包括与所述透射方向成30°、60°和90°夹角的方向中的至少一个。

25、通过上述描述可知，本发明提供的上述基于偏振激光散射的半导体晶体缺陷检测方法以偏振激光在晶体缺陷处产生的弹性散射作为检测信号，摆脱了现有荧光成像技术对缺陷发光活性的依赖，使空洞、夹杂物等不具光学活性的缺陷也能被有效检出，避免了系统性漏检；通过以至少两种不同偏振态依次入射并采集散射光的偏振状态信息，充分利用了晶体的光学各向异性，将原本被视为检测干扰的材料各向异性转化为携带缺陷结构与取向信息的信号源，显著提高了检测的灵敏度与特异性；基于偏振散射特征参数的组合对缺陷类型进行判定，使空洞、位错、夹杂物等不同缺陷在多维特征空间中各自占据独立区域而得以区分，解决了现有透射式检测仅能判断有无缺陷、无法识别缺陷类型、检测结果缺乏特异性的问题；并且整个检测过程无需对晶体进行切片破坏，实现了无损、快速检测，有利于提高晶锭利用率、降低检测成本，检测结果还可为晶体生长工艺优化提供直接反馈。